燃料電池システム及び燃料電池
【課題】燃料電池のアノードから外部へ流出する燃料の量を適正な範囲に制御可能で、小型化が実現可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】膜電極複合体と、アノード流路板２０と、通気路４１と、通気路４１と連通する排出路４２とを備える燃料電池１０ａと、燃料電池１０ａの発電状態を測定する測定装置５０と、燃料電池１０ａに燃料を供給する燃料供給部６０と、測定装置５０の測定結果に基づいて、排出路４２から流れ出す燃料の流出量を解析し、解析結果に基づいて、流出量が所定値になるように燃料の供給量を制御する制御装置１００とを備える。
【解決手段】膜電極複合体と、アノード流路板２０と、通気路４１と、通気路４１と連通する排出路４２とを備える燃料電池１０ａと、燃料電池１０ａの発電状態を測定する測定装置５０と、燃料電池１０ａに燃料を供給する燃料供給部６０と、測定装置５０の測定結果に基づいて、排出路４２から流れ出す燃料の流出量を解析し、解析結果に基づいて、流出量が所定値になるように燃料の供給量を制御する制御装置１００とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを用いた直接型燃料電池に好適な燃料電池システム及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。このような直接型燃料電池としては、アルコール水溶液を発電部に直接供給してプロトンを取り出すと共に、発電部から排出された水等の排出物を発電部の上流側に配置された混合タンク等に循環させて再利用する循環型燃料電池システムが知られている。
【０００３】
直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、アノード、カソード及び膜電極複合体（ＭＥＡ）を備える発電セルを積層したセルスタック（発電部）において、発電が行われている。アノードには、送液ポンプ等を介して水及びメタノールの混合溶液が送られ、下記（１）式に示す反応が生じ、二酸化炭素が発生する。一方、カソードには送気ポンプ等を介して空気が送られ、下記（２）式に示す反応が生じ、水が発生する。
【０００４】
ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ６Ｈ+ ＋ ６ｅ- ・・・（１）
３／２Ｏ2 ＋ ６Ｈ +＋ ６ｅ-→ ３Ｈ2Ｏ ・・・（２）
アノードで発生した二酸化炭素と水及び未反応のメタノールとを含む混合流体は、気液二相流となってアノードから排出される。アノードから排出された気液二相流は、アノードの出口側の流路に設けられた気液分離器により、気体と液体に分離される。分離後の液体は回収流路を介して混合タンク等へ循環させる。分離後の気体は大気に放出させる。
【０００５】
ところが、上述の循環型燃料電池システムでは、アノードの出口側の流路に気液分離器や循環機構を設ける必要があるため、小型化が困難である。そこで、気液分離機構を発電セルの内部に設けることにより、装置の小型化を実現可能とする種々の提案がなされてきている。
【０００６】
例えば、特許文献１は、発電セルの内部に、燃料ガス拡散層と連続する生成ガス拡散層及びガス分離膜等を設け、アノードで発生する気体をガス分離膜を介して外部へ排出させる機構を開示している。
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、発電セル内にガス分離膜及び生成ガス拡散層を配置しているため、圧力損失が大きくなる。また、部品点数も多くなるため、装置が複雑化し、装置の組立作業も煩雑になる。
【０００８】
一方、アノードにメタノール等の高濃度燃料を供給すると、アノード反応で生成したＣＯ2に燃料蒸気が同伴し、燃料蒸気がＣＯ2とともに流出し、燃料利用効率が低下するという事項が、問題になる。また、高濃度メタノールが直接アノード触媒層に接すると、アノード触媒層や電解質膜が、メタノールによりダメージを受けるという問題点もある。
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、燃料の漏洩抑制手段として、ガス分離膜を用いる事項しか開示していないため、分離膜の設置により圧力損失が大きくなる。一方、特許文献１においてガス分離膜を省略すると、排出ガスと同伴する燃料ガスの発電セル外部への漏洩を抑制できない。更には、運転状況によっては、発電セルに燃料が過剰に供給されることにより、排出ガスに同伴する燃料の量も増加する場合が考えられるが、特許文献１は、排出ガスに同伴する燃料の量そのものを減らす対策は講じていない。
【特許文献１】特開２００６−１３４８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、アノードから外部へ流出する燃料の量を適正な範囲に制御可能で、小型化が実現可能な燃料電池システム及び燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明の態様によれば、電解質膜、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及びアノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、アノードガス拡散層上に配置されたアノード流路板と、アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、アノード流路板の端部に設けられ、通気路と連通し、アノード触媒層における反応で発生するガスを排出する排出路と、を含む燃料電池と、燃料電池の発電状態を測定する測定装置と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、測定装置の測定結果に基づいて、排出路から燃料電池の外部へ流れ出す燃料の流出量を解析し、解析結果に基づいて流出量が所定値になるように燃料の供給量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムが提供される。
【００１２】
本願発明の他の態様によれば、電解質膜、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及びアノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、アノードガス拡散層上に配置され、燃料をアノードガス拡散層の中心領域からアノード触媒層へ供給するアノード流路板と、アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、アノード流路板の端部に設けられ、通気路と連通し、アノード触媒層で発生するガスを排出する排出路とを備える燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アノードから外部へ流出する燃料の量を適正な範囲に制御可能で、小型化が実現可能な燃料電池システム及び燃料電池が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池（発電部）１０ａと、燃料電池１０ａの発電状態を測定する測定装置５０と、燃料電池１０ａに高濃度燃料を供給する燃料供給部６０と、燃料電池システムの一連の動作を制御する制御装置１００とを備える。燃料電池１０ａは、膜電極複合体（ＭＥＡ）８、ＭＥＡ８を挟んで互いに対向するアノード流路板２０及びカソード流路板３０を備える。
【００１６】
ＭＥＡ８は、プロトン導電性の固体高分子膜等からなる電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して配置されたアノード触媒層１及びカソード触媒層２、アノード触媒層１及びカソード触媒層２の外側表面にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５を備える。アノード触媒層１及びアノードガス拡散層４の周囲は、シール部９ａによってシールされている。カソード触媒層２及びカソードガス拡散層５の周囲は、シール部９ｂによってシールされている。
【００１７】
電解質膜３としては、テトラフルオロエチレンとペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマーであって、例えば、商品名ナフィオン（米国デュポン社）が利用可能である。アノード触媒層１としては白金ルテニウムを、カソード触媒層２としては白金等を利用することができる。アノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５としては、多孔質のカーボンペーパー等が用いられる。
【００１８】
アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、撥水処理した、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のアノードマイクロポーラス層が配置されていてもよい。カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のカソードマイクロポーラス層が配置されていてもよい。シール部９ａ、９ｂとしては、シリコンゴム等の種々の材料を用いることができる。
【００１９】
アノード流路板２０は、１本若しくは複数の流路で上流側から下流側に向かって蛇行させて流すサーペンタイン流路状又は並行流路状の燃料流路２１と、燃料流路２１からアノードガス拡散層４側へ分岐し、燃料流路２１を流れる燃料をアノードガス拡散層４へ送給する送給口２２を備える。燃料流路２１と送給口２２との間には、気化膜２３が配置されている。
【００２０】
気化膜２３としては、液体を透過させずに気体のみを選択的に透過させるタイプの膜が好適である。気化膜２３としては、例えば、撥油処理を施した多孔体樹脂膜等が好適である。アノード流路板２０の内部に気化膜２３を設置することにより、液体燃料をアノード流路板２０の内部で気化できるため、装置の小型化が図れる。また、気体状態の燃料をアノード１１へ送給することにより、液体燃料をアノード１１へ送給する場合に比べて、ＣＯ2等の生成ガスをアノード１１内で物質移動させることが容易になる。気体状態の燃料は、発電により発生するＣＯ2等の生成ガスと容易に混合するため、高濃度燃料を供給する場合でも、アノード触媒層１における燃料濃度を低下させる事が可能になる。
【００２１】
送給口２２とアノードガス拡散層４との間には、空隙部２４が配置されている。空隙部２４により、送給口２２を介して供給された燃料が、アノード触媒層１での反応で生じたＣＯ2等の生成ガスで薄められるため、アノード触媒層１に到達する燃料の濃度を適切な範囲に調節することが可能である。
【００２２】
アノード触媒層１及びアノードガス拡散層４の周縁部とシール部９ａとの間には、周縁部に沿うように通気路４１が配置されている。通気路４１は、アノード流路板２０の端部に配置された排出路４２と直接接続されている。通気路４１及び排出路４２は、アノード触媒層１におけるアノード反応で生成されたＣＯ2等の生成ガスを、燃料電池１０ａの外部へ排出させるための排出部４０として機能する。
【００２３】
排出部４０を燃料電池１０ａ内に設けることで、アノード反応で生成した生成ガスを燃料電池１０ａから直接、外部に排出させることができるため、気液分離機構を外部に配置する従来の循環型燃料電池システムに比べて、装置の小型化が図れる。また、通気路４１及び排出路４２の間には、分離膜や拡散層等の圧力損失を増大させる部材を配置していないため、装置の簡略化が図れると共に、分離膜を配置することで生じる圧力損失をなくすことができる。
【００２４】
カソード流路板３０には、カソード触媒層２に空気（酸素）等の酸化剤を供給するための孔３１が開いている。
【００２５】
燃料供給部６０は、制御装置１００から出力される制御信号に基づいて、燃料を燃料流路２１へ供給する。燃料供給部６０としては、燃料を貯蔵する容器、燃料の濃度を調節する燃料タンク、燃料を供給する燃料ポンプ、供給流量を調節するためのバルブ等を含む。圧力、温度、濃度等の燃料の物理状態を調節するための調整機構、センサ等も、燃料供給部６０として含んでもよい。
【００２６】
測定装置５０としては、燃料電池１０ａに搭載された集電板（図示省略）に接続した電流計、電圧計が好適である。また、カソード流路板３０の中央領域には、燃料電池１０ａの温度を測定するための温度測定部５１が設けられている。測定装置５０、温度測定部５１を配置することにより、測定装置５０、温度測定部５１の測定値を用いて、燃料電池１０ａの発電量、電流密度、燃料利用効率等を常時解析できるため、燃料電池１０ａ内で起こる反応をリアルタイムで確認でき、より好適な条件に制御できる。測定装置５０としては、電流計、電圧計に限られず、例えば、燃料電池の物理的状態を検知するための各種センサなどであってもよい。
【００２７】
制御装置１００は、条件設定部１０１、入出力部１０２、解析部１０３、判定部１０４、調整部１０５を備えている。
【００２８】
条件設定部１０１は、燃料電池１０ａの装置条件、運転条件等の他に、燃料電池１０ａの排出部４０から流れ出す燃料流出量（流量）や燃料電池１０ａ内のアノードの燃料濃度を解析するための解析式、クロスオーバー評価情報、解析した値が所定の範囲内にあるか否かを判定する基準となる設定値等を設定し、記憶装置１１０に記憶させる。装置条件としては、例えば、気化膜の種類、気化膜の面積、気化温度や、発電領域の面積（アノード触媒層１、カソード触媒層２）等が設定される。運転条件としては、圧力、温度、燃料流量等が設定される。クロスオーバー評価情報としては、燃料の種類、ＭＥＡ８の構成、アノード触媒層１における燃料濃度、温度、電流密度等の種々の運転条件に応じて変化する燃料のクロスオーバー量（流量）を評価したテーブル又は式等が用いられる。解析式としては、例えば、以下の手順で導き出される解析式が用いられる。
【００２９】
例えば、図２に示すように、燃料流路２１に供給する燃料の体積流量をｆMeOHとし、（１）式のアノード反応により発生するＣＯ2の体積流量をｆCO2とする。なお、以下においては、燃料としてメタノールを利用する場合について説明する（図２においてシール部９ａ、９ｂの図示は省略している）。
【００３０】
メタノールが気体で供給される場合、アノード１１のガスの混合が気体の拡散により十分早いと仮定し、アノード１１でメタノールの体積分率がｘmixになっていると仮定する。アノード１１から排出される気体の流量をｆmixとする。ＣＯ2発生流量（体積流量ｆCO2）は、発電電流Iと、気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）の関係から、ｎ＝Ｉ／６Ｆとなるので、（３）式の関係が導かれる。
【００３１】
ｆCO2=IRT/6FP ・・・（３）
（３）式において、Ｆはファラデー定数、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｐは圧力である。本実施形態の場合の圧力は、ほぼ大気圧と等しいとしてよい。
【００３２】
発電で消費されるメタノールの流量は、（１）式より、発生するＣＯ2の流量と同じである。ここで、アノードからカソードへクロスオーバーするメタノールの流量を、ｆxoverとする。ｆxoverは、ＭＥＡ８の構成、アノード触媒層１におけるメタノール濃度、温度、電流密度等により変化するため、予め、運転条件におけるｆxoverを評価し、テーブルもしくは式として求めておく。評価されたテーブルもしくは式は、クロスオーバー評価情報として記憶装置１１０へ格納しておく。
【００３３】
アノードへ供給するメタノールの流量のストイキをξとすると、発電量はｆCO2と等しいため、
ｆMeOH=ξfCO2 ・・・（４）
とおくことができる。「ストイキξ」とは、発電に用いられるメタノールの量の何倍のメタノールを供給するかという値であり、制御装置１００により設定できる。ここでｆxoverが発電に使われるメタノールのβ倍だとすると、
ｆxover=βfCO2 ・・・（５）
とおくことができる。その結果、発電とクロスオーバーでアノードからなくなるメタノールの量は、（1+β）fCO2となる。発電に必要な水は、（２）式のカソード反応で生成した水がアノードへ透過するものとする。気体の体積流量バランスより、（６）式が得られる。
【００３４】
ｆMeOH+fCO2=ｆmix+(1+β)fCO2 ・・・（６）
また、メタノール量のバランスより（７）式が得られる。
【００３５】
ｆMeOH=ｘmixｆmix+(1+β)fCO2 ・・・（７）
（６）、（７）式よりｆmixを消去すると、メタノールの体積分率ｘmixとして次式が得られる。
【００３６】
ｘmix={(ｆMeOH-(1-β)fCO2)}/(ｆMeOH-βfCO2)=(ξ-1-β)/(ξ-β) ・・・（８）
アノード１１から流出するメタノールの流出量ｘmixｆmixは、（１）〜（８）式から、
ｘmixｆmix=(ξ-1-β)fCO2={(ξ-1-β)IRT}/6FP ・・・（９）
となる。
【００３７】
発電とクロスオーバーで使われるメタノール流量以上に供給したメタノールは、アノードから流出するが、（８）式より、アノードにおけるメタノールの体積分率ｘmixは、供給するメタノールのストイキξと、クロスオーバーするメタノールの量で決定されることが分かる。また（９）式より、メタノールの流出量ｘmixｆmixは、供給するメタノールのストイキξと、クロスオーバーするメタノールの量と、燃料電池１０ａの運転条件で決定されることが分かる。
【００３８】
第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池１０ａ内において良好な発電特性が得られる燃料濃度（例えば液相濃度換算値で0.5M以上）を保つようにし、かつ、排出路４１から排出される燃料の流出量ｘmixｆmixがなるべく小さくなるように、上記解析式（８）、（９）式を利用してメタノールの流出量及び燃料電池１０ａ内の濃度（例えば本実施形態では液相濃度換算値）を解析し、メタノール供給量を適切な範囲に制御することが望ましい。
【００３９】
図３にストイキξに対するアノードでのメタノール体積分率ｘmixを示す。なお、βの値は、燃料電池１０ａの運転条件に応じて予め所定の値をとるが、ここでは、β=０．２５の場合を例に説明する。参考に、メタノール体積分率ｘmixに相当する気体のメタノール濃度Ｃｇ、気体のメタノール濃度と気液平衡になる液体のメタノール濃度Ｃｌも示してある。なお、気体のメタノール濃度Ｃｇは気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）に、メタノール分圧としてＰｘmixを代入することにより得られる。液体のメタノール濃度（液相濃度換算値）Ｃlは気体のメタノール濃度からヘンリーの法則を用いて換算することにより都度求めることもできるし、予め求めておいた値をデータテーブルとして記憶装置１１０に格納しておいてもよい。
【００４０】
図３より、１００％メタノール蒸気を供給する場合でも、発電により発生するＣＯ2によりメタノールは希釈され、β=０．２５の場合、例えばストイキ１．３５で液体濃度２Ｍ程度になっていることが分かる。
【００４１】
図１の入出力部１０２は、測定装置５０、温度測定部５１の測定値を受け取るとともに、燃料供給部６０へ燃料供給流量及び供給濃度に関する制御信号を出力する。解析部１０３は、測定値に基づいて、燃料電池１０ａの発電量、電流密度、燃料利用効率等を解析可能であるとともに、図４（ａ）に示すように、燃料電池１０ａから流出する燃料の流出量を上記（９）式に基づいて解析する流出量解析部１０３１と、燃料電池１０ａ内におけるアノード１１の燃料濃度（例えば液相濃度換算値）を上記（８）式から気体の状態方程式を用いて解析する濃度解析部１０３２を備える。
【００４２】
判定部１０４は、図４（ｂ）に示すように、流出量解析部１０３１が解析した解析結果と設定値を比較し、排出部４０から流出する燃料の流出量が所定の範囲内の値に制御されているかを判定する流量判定部１０４１と、濃度解析部１０３２が解析した解析結果（液相濃度換算値）と設定値とを比較し、解析した濃度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する濃度判定部１０４２とを備える。
【００４３】
図１の調整部１０５は、判定部１０４の判定結果に基づいて、燃料の流出量或いは液相濃度換算値が所定の範囲から外れている場合には、燃料供給部６０による燃料の供給状態（流量及び濃度）及び燃料電池１０ａの運転条件の少なくともいずれかを調節する。記憶装置１１０は、運転条件、設定値、解析式などの制御装置１００の動作に必要な情報を記憶する。
【００４４】
次に、図５に示すフローチャートを用いて、図１に示す燃料電池システムの制御方法の一例を説明する。
【００４５】
まず、ステップＳ１において、条件設定部１０１が、燃料電池１０ａの装置条件、運転条件、燃料電池１０ａの排出部４０から流れ出す燃料の流出量を解析するための例えば（８）、（９）式に示すような解析式、設定値、クロスオーバー評価情報等を設定し、記憶装置１１０に記憶させる。
【００４６】
ステップＳ３において、出入力部１０２が、測定装置５０、温度測定部５１の測定値を受け取る。ステップＳ５において、流出量解析部１０３１が、出入力部１０２が受け取った測定値、記憶装置１１０に記憶されたクロスオーバー評価情報及び燃料電池１０ａの運転条件及び（９）式に示す解析式を用いて、燃料電池１０ａの発電状態、即ち、発電量、ストイキξ、クロスオーバー量β、アノード１１から排出される燃料の流出量ｘmixｆmixを計算する。濃度解析部１０３２は、出入力部１０２が受け取った測定値、記憶装置１１０に記憶されたクロスオーバー評価情報及び運転条件、及び（８）式に示す解析式を用いて燃料電池１０ａ内における燃料の液相濃度換算値を解析する。
【００４７】
ステップＳ７において、流出量判定部１０４１が、燃料の流出量ｘmixｆmixが、規定値を上回るか否かを判定する。燃料の流出量ｘmixｆmixが既定値を下回る場合はステップＳ８へ進む。燃料の流出量ｘmixｆmixが、規定値を上回る場合には、ステップＳ９に進み、調整部１０５が、燃料供給部６０による燃料の供給流量を調整する、或いは、調整部１０５が、燃料電池１０ａの運転条件をより好適な条件に調整する。ここで、規定値としては、例えば米国産業衛生専門会議（ＡＣＧＩＨ）の許容限界値に所定の安全率を乗じた値を用いることができる。制御方式としては、運転条件を固定した状態でストイキξの値を変化させるように燃料供給量を制御するのが好ましいが、燃料供給量を一定とし、電流値や、セル温度を適切な値になるように制御してもよい。ステップＳ９の処理が終了したら、ステップＳ３へ進み、再び検出部１０２により、測定装置５０の測定値を検出する。
【００４８】
ステップＳ８において、濃度判定部１０４２が、濃度解析部１０３２が解析した液相濃度換算値が適正な濃度範囲内にあるか否かを判定する。例えば、本実施形態では、液相濃度換算値の上限を３Ｍと設定することができる。燃料流量の下限値は、例えば液相濃度換算で０．５Ｍ以上になるように設定することができる。燃料濃度換算値が所定の範囲内にない場合はステップＳ９へ進み、所定の範囲内にある場合は、処理を終了する。なお、燃料利用効率を向上させるためには、良好な発電特性が得られる範囲で、燃料供給流量ｆMeOHを低下させるほうが好ましい。
【００４９】
第１の実施の形態に係る燃料電池システムによれば、アノード反応により生成されるＣＯ2等の生成ガスをアノード触媒層１及びアノードガス拡散層４の周縁部に設けた通気路４１から直接外部へ排出させることができるため、アノード１１の構造がシンプルになり、装置の小型化が図れる。また、通気路４１と排出路４２との間にＣＯ2分離膜等を備えていないため、部品点数も少なくてすみ、分離膜を配置する場合に比べて圧力損失も小さくてすむ。また、通気路４１を周縁部に設けることにより、供給した燃料はＭＥＡ近傍を通過した後排出されることになるため、他の部分に通気路を設ける場合に比べ、アノード触媒層１で生成した生成ガスに同伴され無駄に流出する燃料の割合を少なくすることができる。
【００５０】
更に、制御装置１００が、測定装置５０の測定結果に基づいて、アノード１１から外部へ流出する燃料流出量及び燃料電池１０ａ内でのアノード１１の燃料濃度を解析し、燃料流出量が少なくなるように、且つアノード１１での燃料濃度が発電に好適な条件になるように、燃料供給部６０の燃料の供給を制御するため、アノード１１から外部へ流出する燃料の量を適正な範囲に制御可能であるとともに、燃料利用効率の向上を図ることができ、高効率発電が可能となる。
【００５１】
なお、図示はしていないが、例えば制御装置１００に警告モジュール等を組み込むことにより、アノード１１から流れ出る燃料の流出量が多量で図１に示す燃料電池システムでも制御が困難な場合に、使用者に警告を促すようにしてもよい。これにより、メタノール等の可燃性燃料の外部への多量の流出を抑制できる。また、排出路４２の下流側に、未反応の燃料を処理する機構を設けてもよい。本実施形態では気化膜２３により液体燃料を気化させているが、気化膜２３を設けず、燃料供給部で気化させ、燃料を気体の状態で燃料流路２１に供給してもよい。
【００５２】
（第２の実施の形態）
図６に示すように、第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池（発電部）１０ｂを備える点が、図１に示す燃料電池システムと異なる。他は、実質的に図１に示す燃料電池システムと同様であるので、重複した説明を省略する。
【００５３】
燃料電池１０ｂは、膜電極複合体（ＭＥＡ）８、ＭＥＡ８を挟んで互いに対向するアノード流路板２００及びカソード流路板３００を備える。
【００５４】
ＭＥＡ８は、電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して配置されたアノード触媒層１及びカソード触媒層２、アノード触媒層１、カソード触媒層２の外側表面にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５、及びカソードガス拡散層５上に配置された多孔質膜３２を備える。アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、マイクロポーラス層６が配置されている。カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、マイクロポーラス層６が配置されている。
【００５５】
アノード触媒層１、マイクロポーラス層６及びアノードガス拡散層４の周囲は、シール部９ａによってシールされている。カソード触媒層２、マイクロポーラス層７及びカソードガス拡散層５の周囲は、シール部９ｂによってシールされている。多孔質膜３２の周囲は、シール部９ｃによってシールされている。
【００５６】
アノード流路板２００は、１本若しくは複数の流路で上流側から下流側に向かって蛇行させて流すサーペンタイン流路状又は並行流路状の燃料流路２１０と、燃料流路２１０から分岐し、燃料流路２１０を流れる燃料をアノードガス拡散層４へ送給する送給口２４０を備える。送給口２４０は、アノードガス拡散層４の中心領域と対向するように配置されている。図６に示すように、燃料は、送給口２４０と対向するアノードガス拡散層２の中心領域１４０（図７の点線部分）を通過してアノード触媒層１へと到達する。燃料流路２１０と送給口２４０との間には、気化膜２３０が配置されている。
【００５７】
アノード触媒層１でのアノード反応により生じたＣＯ2等の生成ガスは、アノードガス拡散層４を通って通気口４１０へ排出され、図示しない排出口から燃料電池１０ｂの外部へ排気される。この際、生成ガスと同伴する燃料は、アノード触媒層１の近傍を通過する際にアノード反応に用いられるため、通気路４１０に近づくに従って、徐々に濃度が低くなっていく。なお、図６に示す燃料電池１０ｂは、図７に示すように、供給した燃料が発電で消費され、濃度が低下した状態で排出されるようにアノード１１の幅が長さＬに設計されている。
【００５８】
第２の実施の形態に係る燃料電池１０ｂによれば、気体状の燃料をアノードガス拡散層４の中心領域１４０から供給し、アノードガス拡散層４の領域から生成ガスをアノードガス拡散層４の周縁部側へ排出させることにより、生成ガスに同伴されるメタノールを低減できる。また、制御装置１００によって燃料供給部６０が供給する燃料の流量を制御することにより、通気口４１０に流出させる燃料の流出量そのものも減らすことができるため、燃料をより有効に利用でき、発電効率を向上させることができる。
【００５９】
なお、図６に示す燃料電池１０ｂにおいても、メタノールの供給量をｆMeOH=ξfCO2 とすると、発電とクロスオーバーで使われるメタノール量は(1+β)fCO2となり、流出するメタノール流量は(ξ-1-β)fCO2となる。発生するＣＯ2の流量を加えると、アノード１１の周縁部から流出するガスの流量は(ξ-β)fCO2となるため、メタノールの体積分率は、式（８）と同様になり、第１の実施の形態と同様の解析式を用いることができる。
【００６０】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。
【００６１】
例えば、第１及び第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおいては、クロスオーバー評価情報が予め記憶装置１１０に格納される例を紹介した。しかしながら、図１又は図６に示す制御装置１００により、測定装置５０が測定した電流値に基づいて、燃料電池１０ａ、１０ｂの発電量及び燃料のクロスオーバー量を逐次解析してクロスオーバー評価情報を計算する。その計算結果をもとに、解析部１０３が、発電に必要な燃料量とクロスオーバーで消費される燃料量を推定する。そして、燃料供給部５０が、推定量とほぼ同等の流量の燃料をアノード流路板２０へ供給させるような制御モジュールを更に制御装置１００に組み込んでも構わない。燃料が燃料電池１０ａ、１０ｂの内部で完全に利用されるような状況であれば、通気路４１、４１０を通って排出される燃料の流出量もほぼゼロに抑えられるため、燃料電池１０ａ、１０ｂからの燃料の流出を抑制できる。
【００６２】
また、図６においても、燃料は、燃料電池１０ａ、１０ｂに導入する前に、気化器を用いて予め気化させてから導入させても構わない。その際、気化膜２３、２３０が省略できることは勿論である。
【００６３】
このように、本発明は、この開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの燃料の流れを示す説明図である。
【図３】β=０．２５の場合のストイキξに対するメタノール体積分率ｘmixを示すグラフである。
【図４】図１の制御装置の詳細例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…アノード触媒層
２…カソード触媒層
３…電解質膜
４…アノードガス拡散層
５…カソードガス拡散層
６、７…マイクロポーラス層
８…膜電極複合体
９ａ、９ｂ、９ｃ…シール部
１０ａ、１０ｂ…燃料電池
１１…アノード
１２…カソード
２０…アノード流路板
２１…燃料流路
２２…送給口
２３…気化膜
２４…空隙部
３０…カソード流路板
３１…孔
３２…多孔質膜
４０…排出部
４１…通気路
４２…排出路
５０…測定装置
６０…燃料供給部
１００…制御装置
１０１…条件設定部
１０２…検出部
１０３…解析部
１０４…判定部
１０５…調整部
１１０…記憶装置
２００…アノード流路板
２１０…燃料流路
２４０…送給口
３００…カソード流路板
４１０…通気路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを用いた直接型燃料電池に好適な燃料電池システム及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルコール等の液体燃料を直接発電部に供給する直接型燃料電池は、気化器や改質器等の補器が不要なため、携帯機器の小型電源等への利用が期待されている。このような直接型燃料電池としては、アルコール水溶液を発電部に直接供給してプロトンを取り出すと共に、発電部から排出された水等の排出物を発電部の上流側に配置された混合タンク等に循環させて再利用する循環型燃料電池システムが知られている。
【０００３】
直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）においては、アノード、カソード及び膜電極複合体（ＭＥＡ）を備える発電セルを積層したセルスタック（発電部）において、発電が行われている。アノードには、送液ポンプ等を介して水及びメタノールの混合溶液が送られ、下記（１）式に示す反応が生じ、二酸化炭素が発生する。一方、カソードには送気ポンプ等を介して空気が送られ、下記（２）式に示す反応が生じ、水が発生する。
【０００４】
ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ６Ｈ+ ＋ ６ｅ- ・・・（１）
３／２Ｏ2 ＋ ６Ｈ +＋ ６ｅ-→ ３Ｈ2Ｏ ・・・（２）
アノードで発生した二酸化炭素と水及び未反応のメタノールとを含む混合流体は、気液二相流となってアノードから排出される。アノードから排出された気液二相流は、アノードの出口側の流路に設けられた気液分離器により、気体と液体に分離される。分離後の液体は回収流路を介して混合タンク等へ循環させる。分離後の気体は大気に放出させる。
【０００５】
ところが、上述の循環型燃料電池システムでは、アノードの出口側の流路に気液分離器や循環機構を設ける必要があるため、小型化が困難である。そこで、気液分離機構を発電セルの内部に設けることにより、装置の小型化を実現可能とする種々の提案がなされてきている。
【０００６】
例えば、特許文献１は、発電セルの内部に、燃料ガス拡散層と連続する生成ガス拡散層及びガス分離膜等を設け、アノードで発生する気体をガス分離膜を介して外部へ排出させる機構を開示している。
【０００７】
しかしながら、特許文献１の方法では、発電セル内にガス分離膜及び生成ガス拡散層を配置しているため、圧力損失が大きくなる。また、部品点数も多くなるため、装置が複雑化し、装置の組立作業も煩雑になる。
【０００８】
一方、アノードにメタノール等の高濃度燃料を供給すると、アノード反応で生成したＣＯ2に燃料蒸気が同伴し、燃料蒸気がＣＯ2とともに流出し、燃料利用効率が低下するという事項が、問題になる。また、高濃度メタノールが直接アノード触媒層に接すると、アノード触媒層や電解質膜が、メタノールによりダメージを受けるという問題点もある。
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、燃料の漏洩抑制手段として、ガス分離膜を用いる事項しか開示していないため、分離膜の設置により圧力損失が大きくなる。一方、特許文献１においてガス分離膜を省略すると、排出ガスと同伴する燃料ガスの発電セル外部への漏洩を抑制できない。更には、運転状況によっては、発電セルに燃料が過剰に供給されることにより、排出ガスに同伴する燃料の量も増加する場合が考えられるが、特許文献１は、排出ガスに同伴する燃料の量そのものを減らす対策は講じていない。
【特許文献１】特開２００６−１３４８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、アノードから外部へ流出する燃料の量を適正な範囲に制御可能で、小型化が実現可能な燃料電池システム及び燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明の態様によれば、電解質膜、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及びアノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、アノードガス拡散層上に配置されたアノード流路板と、アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、アノード流路板の端部に設けられ、通気路と連通し、アノード触媒層における反応で発生するガスを排出する排出路と、を含む燃料電池と、燃料電池の発電状態を測定する測定装置と、燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、測定装置の測定結果に基づいて、排出路から燃料電池の外部へ流れ出す燃料の流出量を解析し、解析結果に基づいて流出量が所定値になるように燃料の供給量を制御する制御装置とを備える燃料電池システムが提供される。
【００１２】
本願発明の他の態様によれば、電解質膜、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及びアノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、アノードガス拡散層上に配置され、燃料をアノードガス拡散層の中心領域からアノード触媒層へ供給するアノード流路板と、アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、アノード流路板の端部に設けられ、通気路と連通し、アノード触媒層で発生するガスを排出する排出路とを備える燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アノードから外部へ流出する燃料の量を適正な範囲に制御可能で、小型化が実現可能な燃料電池システム及び燃料電池が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載においては、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものではない。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池（発電部）１０ａと、燃料電池１０ａの発電状態を測定する測定装置５０と、燃料電池１０ａに高濃度燃料を供給する燃料供給部６０と、燃料電池システムの一連の動作を制御する制御装置１００とを備える。燃料電池１０ａは、膜電極複合体（ＭＥＡ）８、ＭＥＡ８を挟んで互いに対向するアノード流路板２０及びカソード流路板３０を備える。
【００１６】
ＭＥＡ８は、プロトン導電性の固体高分子膜等からなる電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して配置されたアノード触媒層１及びカソード触媒層２、アノード触媒層１及びカソード触媒層２の外側表面にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５を備える。アノード触媒層１及びアノードガス拡散層４の周囲は、シール部９ａによってシールされている。カソード触媒層２及びカソードガス拡散層５の周囲は、シール部９ｂによってシールされている。
【００１７】
電解質膜３としては、テトラフルオロエチレンとペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマーであって、例えば、商品名ナフィオン（米国デュポン社）が利用可能である。アノード触媒層１としては白金ルテニウムを、カソード触媒層２としては白金等を利用することができる。アノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５としては、多孔質のカーボンペーパー等が用いられる。
【００１８】
アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、撥水処理した、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のアノードマイクロポーラス層が配置されていてもよい。カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のカソードマイクロポーラス層が配置されていてもよい。シール部９ａ、９ｂとしては、シリコンゴム等の種々の材料を用いることができる。
【００１９】
アノード流路板２０は、１本若しくは複数の流路で上流側から下流側に向かって蛇行させて流すサーペンタイン流路状又は並行流路状の燃料流路２１と、燃料流路２１からアノードガス拡散層４側へ分岐し、燃料流路２１を流れる燃料をアノードガス拡散層４へ送給する送給口２２を備える。燃料流路２１と送給口２２との間には、気化膜２３が配置されている。
【００２０】
気化膜２３としては、液体を透過させずに気体のみを選択的に透過させるタイプの膜が好適である。気化膜２３としては、例えば、撥油処理を施した多孔体樹脂膜等が好適である。アノード流路板２０の内部に気化膜２３を設置することにより、液体燃料をアノード流路板２０の内部で気化できるため、装置の小型化が図れる。また、気体状態の燃料をアノード１１へ送給することにより、液体燃料をアノード１１へ送給する場合に比べて、ＣＯ2等の生成ガスをアノード１１内で物質移動させることが容易になる。気体状態の燃料は、発電により発生するＣＯ2等の生成ガスと容易に混合するため、高濃度燃料を供給する場合でも、アノード触媒層１における燃料濃度を低下させる事が可能になる。
【００２１】
送給口２２とアノードガス拡散層４との間には、空隙部２４が配置されている。空隙部２４により、送給口２２を介して供給された燃料が、アノード触媒層１での反応で生じたＣＯ2等の生成ガスで薄められるため、アノード触媒層１に到達する燃料の濃度を適切な範囲に調節することが可能である。
【００２２】
アノード触媒層１及びアノードガス拡散層４の周縁部とシール部９ａとの間には、周縁部に沿うように通気路４１が配置されている。通気路４１は、アノード流路板２０の端部に配置された排出路４２と直接接続されている。通気路４１及び排出路４２は、アノード触媒層１におけるアノード反応で生成されたＣＯ2等の生成ガスを、燃料電池１０ａの外部へ排出させるための排出部４０として機能する。
【００２３】
排出部４０を燃料電池１０ａ内に設けることで、アノード反応で生成した生成ガスを燃料電池１０ａから直接、外部に排出させることができるため、気液分離機構を外部に配置する従来の循環型燃料電池システムに比べて、装置の小型化が図れる。また、通気路４１及び排出路４２の間には、分離膜や拡散層等の圧力損失を増大させる部材を配置していないため、装置の簡略化が図れると共に、分離膜を配置することで生じる圧力損失をなくすことができる。
【００２４】
カソード流路板３０には、カソード触媒層２に空気（酸素）等の酸化剤を供給するための孔３１が開いている。
【００２５】
燃料供給部６０は、制御装置１００から出力される制御信号に基づいて、燃料を燃料流路２１へ供給する。燃料供給部６０としては、燃料を貯蔵する容器、燃料の濃度を調節する燃料タンク、燃料を供給する燃料ポンプ、供給流量を調節するためのバルブ等を含む。圧力、温度、濃度等の燃料の物理状態を調節するための調整機構、センサ等も、燃料供給部６０として含んでもよい。
【００２６】
測定装置５０としては、燃料電池１０ａに搭載された集電板（図示省略）に接続した電流計、電圧計が好適である。また、カソード流路板３０の中央領域には、燃料電池１０ａの温度を測定するための温度測定部５１が設けられている。測定装置５０、温度測定部５１を配置することにより、測定装置５０、温度測定部５１の測定値を用いて、燃料電池１０ａの発電量、電流密度、燃料利用効率等を常時解析できるため、燃料電池１０ａ内で起こる反応をリアルタイムで確認でき、より好適な条件に制御できる。測定装置５０としては、電流計、電圧計に限られず、例えば、燃料電池の物理的状態を検知するための各種センサなどであってもよい。
【００２７】
制御装置１００は、条件設定部１０１、入出力部１０２、解析部１０３、判定部１０４、調整部１０５を備えている。
【００２８】
条件設定部１０１は、燃料電池１０ａの装置条件、運転条件等の他に、燃料電池１０ａの排出部４０から流れ出す燃料流出量（流量）や燃料電池１０ａ内のアノードの燃料濃度を解析するための解析式、クロスオーバー評価情報、解析した値が所定の範囲内にあるか否かを判定する基準となる設定値等を設定し、記憶装置１１０に記憶させる。装置条件としては、例えば、気化膜の種類、気化膜の面積、気化温度や、発電領域の面積（アノード触媒層１、カソード触媒層２）等が設定される。運転条件としては、圧力、温度、燃料流量等が設定される。クロスオーバー評価情報としては、燃料の種類、ＭＥＡ８の構成、アノード触媒層１における燃料濃度、温度、電流密度等の種々の運転条件に応じて変化する燃料のクロスオーバー量（流量）を評価したテーブル又は式等が用いられる。解析式としては、例えば、以下の手順で導き出される解析式が用いられる。
【００２９】
例えば、図２に示すように、燃料流路２１に供給する燃料の体積流量をｆMeOHとし、（１）式のアノード反応により発生するＣＯ2の体積流量をｆCO2とする。なお、以下においては、燃料としてメタノールを利用する場合について説明する（図２においてシール部９ａ、９ｂの図示は省略している）。
【００３０】
メタノールが気体で供給される場合、アノード１１のガスの混合が気体の拡散により十分早いと仮定し、アノード１１でメタノールの体積分率がｘmixになっていると仮定する。アノード１１から排出される気体の流量をｆmixとする。ＣＯ2発生流量（体積流量ｆCO2）は、発電電流Iと、気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）の関係から、ｎ＝Ｉ／６Ｆとなるので、（３）式の関係が導かれる。
【００３１】
ｆCO2=IRT/6FP ・・・（３）
（３）式において、Ｆはファラデー定数、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｐは圧力である。本実施形態の場合の圧力は、ほぼ大気圧と等しいとしてよい。
【００３２】
発電で消費されるメタノールの流量は、（１）式より、発生するＣＯ2の流量と同じである。ここで、アノードからカソードへクロスオーバーするメタノールの流量を、ｆxoverとする。ｆxoverは、ＭＥＡ８の構成、アノード触媒層１におけるメタノール濃度、温度、電流密度等により変化するため、予め、運転条件におけるｆxoverを評価し、テーブルもしくは式として求めておく。評価されたテーブルもしくは式は、クロスオーバー評価情報として記憶装置１１０へ格納しておく。
【００３３】
アノードへ供給するメタノールの流量のストイキをξとすると、発電量はｆCO2と等しいため、
ｆMeOH=ξfCO2 ・・・（４）
とおくことができる。「ストイキξ」とは、発電に用いられるメタノールの量の何倍のメタノールを供給するかという値であり、制御装置１００により設定できる。ここでｆxoverが発電に使われるメタノールのβ倍だとすると、
ｆxover=βfCO2 ・・・（５）
とおくことができる。その結果、発電とクロスオーバーでアノードからなくなるメタノールの量は、（1+β）fCO2となる。発電に必要な水は、（２）式のカソード反応で生成した水がアノードへ透過するものとする。気体の体積流量バランスより、（６）式が得られる。
【００３４】
ｆMeOH+fCO2=ｆmix+(1+β)fCO2 ・・・（６）
また、メタノール量のバランスより（７）式が得られる。
【００３５】
ｆMeOH=ｘmixｆmix+(1+β)fCO2 ・・・（７）
（６）、（７）式よりｆmixを消去すると、メタノールの体積分率ｘmixとして次式が得られる。
【００３６】
ｘmix={(ｆMeOH-(1-β)fCO2)}/(ｆMeOH-βfCO2)=(ξ-1-β)/(ξ-β) ・・・（８）
アノード１１から流出するメタノールの流出量ｘmixｆmixは、（１）〜（８）式から、
ｘmixｆmix=(ξ-1-β)fCO2={(ξ-1-β)IRT}/6FP ・・・（９）
となる。
【００３７】
発電とクロスオーバーで使われるメタノール流量以上に供給したメタノールは、アノードから流出するが、（８）式より、アノードにおけるメタノールの体積分率ｘmixは、供給するメタノールのストイキξと、クロスオーバーするメタノールの量で決定されることが分かる。また（９）式より、メタノールの流出量ｘmixｆmixは、供給するメタノールのストイキξと、クロスオーバーするメタノールの量と、燃料電池１０ａの運転条件で決定されることが分かる。
【００３８】
第１の実施の形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池１０ａ内において良好な発電特性が得られる燃料濃度（例えば液相濃度換算値で0.5M以上）を保つようにし、かつ、排出路４１から排出される燃料の流出量ｘmixｆmixがなるべく小さくなるように、上記解析式（８）、（９）式を利用してメタノールの流出量及び燃料電池１０ａ内の濃度（例えば本実施形態では液相濃度換算値）を解析し、メタノール供給量を適切な範囲に制御することが望ましい。
【００３９】
図３にストイキξに対するアノードでのメタノール体積分率ｘmixを示す。なお、βの値は、燃料電池１０ａの運転条件に応じて予め所定の値をとるが、ここでは、β=０．２５の場合を例に説明する。参考に、メタノール体積分率ｘmixに相当する気体のメタノール濃度Ｃｇ、気体のメタノール濃度と気液平衡になる液体のメタノール濃度Ｃｌも示してある。なお、気体のメタノール濃度Ｃｇは気体の状態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）に、メタノール分圧としてＰｘmixを代入することにより得られる。液体のメタノール濃度（液相濃度換算値）Ｃlは気体のメタノール濃度からヘンリーの法則を用いて換算することにより都度求めることもできるし、予め求めておいた値をデータテーブルとして記憶装置１１０に格納しておいてもよい。
【００４０】
図３より、１００％メタノール蒸気を供給する場合でも、発電により発生するＣＯ2によりメタノールは希釈され、β=０．２５の場合、例えばストイキ１．３５で液体濃度２Ｍ程度になっていることが分かる。
【００４１】
図１の入出力部１０２は、測定装置５０、温度測定部５１の測定値を受け取るとともに、燃料供給部６０へ燃料供給流量及び供給濃度に関する制御信号を出力する。解析部１０３は、測定値に基づいて、燃料電池１０ａの発電量、電流密度、燃料利用効率等を解析可能であるとともに、図４（ａ）に示すように、燃料電池１０ａから流出する燃料の流出量を上記（９）式に基づいて解析する流出量解析部１０３１と、燃料電池１０ａ内におけるアノード１１の燃料濃度（例えば液相濃度換算値）を上記（８）式から気体の状態方程式を用いて解析する濃度解析部１０３２を備える。
【００４２】
判定部１０４は、図４（ｂ）に示すように、流出量解析部１０３１が解析した解析結果と設定値を比較し、排出部４０から流出する燃料の流出量が所定の範囲内の値に制御されているかを判定する流量判定部１０４１と、濃度解析部１０３２が解析した解析結果（液相濃度換算値）と設定値とを比較し、解析した濃度が所定の範囲内の値であるか否かを判定する濃度判定部１０４２とを備える。
【００４３】
図１の調整部１０５は、判定部１０４の判定結果に基づいて、燃料の流出量或いは液相濃度換算値が所定の範囲から外れている場合には、燃料供給部６０による燃料の供給状態（流量及び濃度）及び燃料電池１０ａの運転条件の少なくともいずれかを調節する。記憶装置１１０は、運転条件、設定値、解析式などの制御装置１００の動作に必要な情報を記憶する。
【００４４】
次に、図５に示すフローチャートを用いて、図１に示す燃料電池システムの制御方法の一例を説明する。
【００４５】
まず、ステップＳ１において、条件設定部１０１が、燃料電池１０ａの装置条件、運転条件、燃料電池１０ａの排出部４０から流れ出す燃料の流出量を解析するための例えば（８）、（９）式に示すような解析式、設定値、クロスオーバー評価情報等を設定し、記憶装置１１０に記憶させる。
【００４６】
ステップＳ３において、出入力部１０２が、測定装置５０、温度測定部５１の測定値を受け取る。ステップＳ５において、流出量解析部１０３１が、出入力部１０２が受け取った測定値、記憶装置１１０に記憶されたクロスオーバー評価情報及び燃料電池１０ａの運転条件及び（９）式に示す解析式を用いて、燃料電池１０ａの発電状態、即ち、発電量、ストイキξ、クロスオーバー量β、アノード１１から排出される燃料の流出量ｘmixｆmixを計算する。濃度解析部１０３２は、出入力部１０２が受け取った測定値、記憶装置１１０に記憶されたクロスオーバー評価情報及び運転条件、及び（８）式に示す解析式を用いて燃料電池１０ａ内における燃料の液相濃度換算値を解析する。
【００４７】
ステップＳ７において、流出量判定部１０４１が、燃料の流出量ｘmixｆmixが、規定値を上回るか否かを判定する。燃料の流出量ｘmixｆmixが既定値を下回る場合はステップＳ８へ進む。燃料の流出量ｘmixｆmixが、規定値を上回る場合には、ステップＳ９に進み、調整部１０５が、燃料供給部６０による燃料の供給流量を調整する、或いは、調整部１０５が、燃料電池１０ａの運転条件をより好適な条件に調整する。ここで、規定値としては、例えば米国産業衛生専門会議（ＡＣＧＩＨ）の許容限界値に所定の安全率を乗じた値を用いることができる。制御方式としては、運転条件を固定した状態でストイキξの値を変化させるように燃料供給量を制御するのが好ましいが、燃料供給量を一定とし、電流値や、セル温度を適切な値になるように制御してもよい。ステップＳ９の処理が終了したら、ステップＳ３へ進み、再び検出部１０２により、測定装置５０の測定値を検出する。
【００４８】
ステップＳ８において、濃度判定部１０４２が、濃度解析部１０３２が解析した液相濃度換算値が適正な濃度範囲内にあるか否かを判定する。例えば、本実施形態では、液相濃度換算値の上限を３Ｍと設定することができる。燃料流量の下限値は、例えば液相濃度換算で０．５Ｍ以上になるように設定することができる。燃料濃度換算値が所定の範囲内にない場合はステップＳ９へ進み、所定の範囲内にある場合は、処理を終了する。なお、燃料利用効率を向上させるためには、良好な発電特性が得られる範囲で、燃料供給流量ｆMeOHを低下させるほうが好ましい。
【００４９】
第１の実施の形態に係る燃料電池システムによれば、アノード反応により生成されるＣＯ2等の生成ガスをアノード触媒層１及びアノードガス拡散層４の周縁部に設けた通気路４１から直接外部へ排出させることができるため、アノード１１の構造がシンプルになり、装置の小型化が図れる。また、通気路４１と排出路４２との間にＣＯ2分離膜等を備えていないため、部品点数も少なくてすみ、分離膜を配置する場合に比べて圧力損失も小さくてすむ。また、通気路４１を周縁部に設けることにより、供給した燃料はＭＥＡ近傍を通過した後排出されることになるため、他の部分に通気路を設ける場合に比べ、アノード触媒層１で生成した生成ガスに同伴され無駄に流出する燃料の割合を少なくすることができる。
【００５０】
更に、制御装置１００が、測定装置５０の測定結果に基づいて、アノード１１から外部へ流出する燃料流出量及び燃料電池１０ａ内でのアノード１１の燃料濃度を解析し、燃料流出量が少なくなるように、且つアノード１１での燃料濃度が発電に好適な条件になるように、燃料供給部６０の燃料の供給を制御するため、アノード１１から外部へ流出する燃料の量を適正な範囲に制御可能であるとともに、燃料利用効率の向上を図ることができ、高効率発電が可能となる。
【００５１】
なお、図示はしていないが、例えば制御装置１００に警告モジュール等を組み込むことにより、アノード１１から流れ出る燃料の流出量が多量で図１に示す燃料電池システムでも制御が困難な場合に、使用者に警告を促すようにしてもよい。これにより、メタノール等の可燃性燃料の外部への多量の流出を抑制できる。また、排出路４２の下流側に、未反応の燃料を処理する機構を設けてもよい。本実施形態では気化膜２３により液体燃料を気化させているが、気化膜２３を設けず、燃料供給部で気化させ、燃料を気体の状態で燃料流路２１に供給してもよい。
【００５２】
（第２の実施の形態）
図６に示すように、第２の実施の形態に係る燃料電池システムは、燃料電池（発電部）１０ｂを備える点が、図１に示す燃料電池システムと異なる。他は、実質的に図１に示す燃料電池システムと同様であるので、重複した説明を省略する。
【００５３】
燃料電池１０ｂは、膜電極複合体（ＭＥＡ）８、ＭＥＡ８を挟んで互いに対向するアノード流路板２００及びカソード流路板３００を備える。
【００５４】
ＭＥＡ８は、電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して配置されたアノード触媒層１及びカソード触媒層２、アノード触媒層１、カソード触媒層２の外側表面にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５、及びカソードガス拡散層５上に配置された多孔質膜３２を備える。アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、マイクロポーラス層６が配置されている。カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、マイクロポーラス層６が配置されている。
【００５５】
アノード触媒層１、マイクロポーラス層６及びアノードガス拡散層４の周囲は、シール部９ａによってシールされている。カソード触媒層２、マイクロポーラス層７及びカソードガス拡散層５の周囲は、シール部９ｂによってシールされている。多孔質膜３２の周囲は、シール部９ｃによってシールされている。
【００５６】
アノード流路板２００は、１本若しくは複数の流路で上流側から下流側に向かって蛇行させて流すサーペンタイン流路状又は並行流路状の燃料流路２１０と、燃料流路２１０から分岐し、燃料流路２１０を流れる燃料をアノードガス拡散層４へ送給する送給口２４０を備える。送給口２４０は、アノードガス拡散層４の中心領域と対向するように配置されている。図６に示すように、燃料は、送給口２４０と対向するアノードガス拡散層２の中心領域１４０（図７の点線部分）を通過してアノード触媒層１へと到達する。燃料流路２１０と送給口２４０との間には、気化膜２３０が配置されている。
【００５７】
アノード触媒層１でのアノード反応により生じたＣＯ2等の生成ガスは、アノードガス拡散層４を通って通気口４１０へ排出され、図示しない排出口から燃料電池１０ｂの外部へ排気される。この際、生成ガスと同伴する燃料は、アノード触媒層１の近傍を通過する際にアノード反応に用いられるため、通気路４１０に近づくに従って、徐々に濃度が低くなっていく。なお、図６に示す燃料電池１０ｂは、図７に示すように、供給した燃料が発電で消費され、濃度が低下した状態で排出されるようにアノード１１の幅が長さＬに設計されている。
【００５８】
第２の実施の形態に係る燃料電池１０ｂによれば、気体状の燃料をアノードガス拡散層４の中心領域１４０から供給し、アノードガス拡散層４の領域から生成ガスをアノードガス拡散層４の周縁部側へ排出させることにより、生成ガスに同伴されるメタノールを低減できる。また、制御装置１００によって燃料供給部６０が供給する燃料の流量を制御することにより、通気口４１０に流出させる燃料の流出量そのものも減らすことができるため、燃料をより有効に利用でき、発電効率を向上させることができる。
【００５９】
なお、図６に示す燃料電池１０ｂにおいても、メタノールの供給量をｆMeOH=ξfCO2 とすると、発電とクロスオーバーで使われるメタノール量は(1+β)fCO2となり、流出するメタノール流量は(ξ-1-β)fCO2となる。発生するＣＯ2の流量を加えると、アノード１１の周縁部から流出するガスの流量は(ξ-β)fCO2となるため、メタノールの体積分率は、式（８）と同様になり、第１の実施の形態と同様の解析式を用いることができる。
【００６０】
（その他の実施の形態）
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。
【００６１】
例えば、第１及び第２の実施の形態に係る燃料電池システムにおいては、クロスオーバー評価情報が予め記憶装置１１０に格納される例を紹介した。しかしながら、図１又は図６に示す制御装置１００により、測定装置５０が測定した電流値に基づいて、燃料電池１０ａ、１０ｂの発電量及び燃料のクロスオーバー量を逐次解析してクロスオーバー評価情報を計算する。その計算結果をもとに、解析部１０３が、発電に必要な燃料量とクロスオーバーで消費される燃料量を推定する。そして、燃料供給部５０が、推定量とほぼ同等の流量の燃料をアノード流路板２０へ供給させるような制御モジュールを更に制御装置１００に組み込んでも構わない。燃料が燃料電池１０ａ、１０ｂの内部で完全に利用されるような状況であれば、通気路４１、４１０を通って排出される燃料の流出量もほぼゼロに抑えられるため、燃料電池１０ａ、１０ｂからの燃料の流出を抑制できる。
【００６２】
また、図６においても、燃料は、燃料電池１０ａ、１０ｂに導入する前に、気化器を用いて予め気化させてから導入させても構わない。その際、気化膜２３、２３０が省略できることは勿論である。
【００６３】
このように、本発明は、この開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの燃料の流れを示す説明図である。
【図３】β=０．２５の場合のストイキξに対するメタノール体積分率ｘmixを示すグラフである。
【図４】図１の制御装置の詳細例を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１…アノード触媒層
２…カソード触媒層
３…電解質膜
４…アノードガス拡散層
５…カソードガス拡散層
６、７…マイクロポーラス層
８…膜電極複合体
９ａ、９ｂ、９ｃ…シール部
１０ａ、１０ｂ…燃料電池
１１…アノード
１２…カソード
２０…アノード流路板
２１…燃料流路
２２…送給口
２３…気化膜
２４…空隙部
３０…カソード流路板
３１…孔
３２…多孔質膜
４０…排出部
４１…通気路
４２…排出路
５０…測定装置
６０…燃料供給部
１００…制御装置
１０１…条件設定部
１０２…検出部
１０３…解析部
１０４…判定部
１０５…調整部
１１０…記憶装置
２００…アノード流路板
２１０…燃料流路
２４０…送給口
３００…カソード流路板
４１０…通気路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、前記電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及び前記アノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、
前記アノードガス拡散層上に配置されたアノード流路板と、
前記アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、
前記アノード流路板の端部に設けられ、前記通気路と連通し、前記アノード触媒層における反応で発生するガスを排出する排出路と、
を含む燃料電池と、
前記燃料電池の発電状態を測定する測定装置と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、
前記測定装置の測定結果に基づいて、前記排出路から前記燃料電池の外部へ流れ出す前記燃料の流出量を解析し、解析結果に基づいて前記流出量が所定値になるように前記燃料の供給量を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノード流路板が、
前記燃料を流通させる燃料流路と、
前記燃料流路から分岐し、前記アノードガス拡散層と対向する送給口と、
前記燃料流路と前記送給口との間に配置され、前記燃料を気化させる気化膜と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記送給口と前記アノードガス拡散層との間に設けられた空間部を更に有し、前記空間部において、気化した前記燃料を前記アノード触媒層における反応で発生するガスで希釈させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置が、
前記測定装置が測定した前記燃料電池の電流値、電圧値、温度条件及び前記燃料電池における前記燃料のクロスオーバー評価情報を用いて、前記燃料電池のアノードに存在する前記燃料の体積分率を解析し、前記体積分率から推定される前記流出量及び前記アノードの燃料濃度を解析する解析部と、
前記流出量及び前記アノードの燃料濃度が所定の範囲内にあるか否かを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記燃料の供給流量、濃度及び前記燃料電池の運転条件の少なくともいずれかを調整する調整部と
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記送給口が前記アノードガス拡散層の中央領域に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
電解質膜、前記電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及び前記アノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、
前記アノードガス拡散層上に配置され、燃料を前記アノードガス拡散層の中心領域から前記アノード触媒層へ供給するアノード流路板と、
前記アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、
前記アノード流路板の端部に設けられ、前記通気路と連通し、前記アノード触媒層で発生するガスを排出する排出路と
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記アノード流路板が、
前記燃料を流通させる燃料流路と、
前記燃料流路から分岐し、前記アノードガス拡散層の中心領域と対向する送給口と、
前記燃料流路と前記送給口との間に配置され、前記燃料を気化させる気化膜と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項１】
電解質膜、前記電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及び前記アノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、
前記アノードガス拡散層上に配置されたアノード流路板と、
前記アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、
前記アノード流路板の端部に設けられ、前記通気路と連通し、前記アノード触媒層における反応で発生するガスを排出する排出路と、
を含む燃料電池と、
前記燃料電池の発電状態を測定する測定装置と、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給部と、
前記測定装置の測定結果に基づいて、前記排出路から前記燃料電池の外部へ流れ出す前記燃料の流出量を解析し、解析結果に基づいて前記流出量が所定値になるように前記燃料の供給量を制御する制御装置と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノード流路板が、
前記燃料を流通させる燃料流路と、
前記燃料流路から分岐し、前記アノードガス拡散層と対向する送給口と、
前記燃料流路と前記送給口との間に配置され、前記燃料を気化させる気化膜と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記送給口と前記アノードガス拡散層との間に設けられた空間部を更に有し、前記空間部において、気化した前記燃料を前記アノード触媒層における反応で発生するガスで希釈させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置が、
前記測定装置が測定した前記燃料電池の電流値、電圧値、温度条件及び前記燃料電池における前記燃料のクロスオーバー評価情報を用いて、前記燃料電池のアノードに存在する前記燃料の体積分率を解析し、前記体積分率から推定される前記流出量及び前記アノードの燃料濃度を解析する解析部と、
前記流出量及び前記アノードの燃料濃度が所定の範囲内にあるか否かを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記燃料の供給流量、濃度及び前記燃料電池の運転条件の少なくともいずれかを調整する調整部と
を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記送給口が前記アノードガス拡散層の中央領域に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
電解質膜、前記電解質膜を挟んで互いに対向するアノード触媒層及びカソード触媒層、及び前記アノード触媒層上に配置されたアノードガス拡散層を含む膜電極複合体と、
前記アノードガス拡散層上に配置され、燃料を前記アノードガス拡散層の中心領域から前記アノード触媒層へ供給するアノード流路板と、
前記アノードガス拡散層の周縁部に沿って設けられた通気路と、
前記アノード流路板の端部に設けられ、前記通気路と連通し、前記アノード触媒層で発生するガスを排出する排出路と
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記アノード流路板が、
前記燃料を流通させる燃料流路と、
前記燃料流路から分岐し、前記アノードガス拡散層の中心領域と対向する送給口と、
前記燃料流路と前記送給口との間に配置され、前記燃料を気化させる気化膜と
を備えることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−８０３２３（Ｐ２０１０−８０３２３Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４８６６７（Ｐ２００８−２４８６６７）
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２６日（２００８．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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